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Wilhelm - Heinrich - Riehl - KollegLandeshauptstadt Düsseldorf

Teil 9

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Der zweite Bildungsweg

Grundkenntnisse für Biologiekurse

Sie brauchen nicht schreiben.

Es liegt ein Skript vor!

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Wiederholung:

Seine Annahme: Atome bestehen aus einer überall gleich- mäßig verteilten, positiv geladenen Masse. In diese Masse sind die negativ geladenen Elektronen lose eingebettet.

Diese Annahme Thomsons überprüfte Rutherford durch ein Experiment.

positiv geladenes

Kügelchen

Thomson wusste schon, dass ...

Das Atommodell von Thomson (1903)

• Atome nach außen hin elektrisch neutral sind.

• Atome einen Durchmesser von etwa besitzen. 10 m - 10

• die Hauptmasse des Atoms positiv geladen ist, während die negativ geladenen Elektronen fast keine Masse besitzen.

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Dazu verwendete er ...1. Goldfolie

2. α-Strahlen

3. Film

Die Goldfolie wurde durch Auswalzen hergestellt und war extrem dünn, nur etwa 2000 Atomlagen.

α-Strahlen werden frei, wenn das Element Radium zerfällt.

Bleiblock mit Kanal

radioaktiver Stoff (Radiumchlorid) • Die Teilchen bewegen sich mit sehr

hoher Geschwindigkeit (ca. 15.000 km/s).

• Jedes Teilchen trägt zwei positive Ladungen (Goldatome 79).

• Die Teilchen sind sehr leicht im Vergleich zum Goldatom.

Treffen α-Strahlen auf einen Film, so belichten sie ihn.

Eigenschaften der α-Strahlen:

• Sie bestehen aus extrem kleinen Teilchen (= Heliumkernen).

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fotografischer Film

radioaktiver Stoff (Radiumchlorid)

Bleiblock mit Kanal

extrem dünne Goldfolie einbringen

Belichtung, wenn α-Teilchen auftrifft!

Erwartung

strahlt α-Teilchen ab (= Heliumkerne = )He

2+

evakuierte Apparatur

Der Streuversuch von Rutherford (1911)

Erwartung:

Wenn das Atommodell von Thomson zuträfe, würden die α-Teilchen, sofern sie schnell genug sind, die Goldfolie durchdringen und nur schwach aus ihrer ursprünglichen Richtung abgelenkt (= gestreut) werden.

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jedoch: Beobachtung

erwartungsgemäß: schwache Ablenkung

nicht erwartungsgemäß: starke Ablenkung

nicht erwartungsgemäß: Rückstreuung (= Reflexion)

• sehr oft: schwache Ablenkung

Die genaue Auswertung zeigt:

• extrem selten: Rückstreuung (= Reflexion)

• sehr selten: starke Ablenkung

strahlt α-Teilchen ab (= Heliumkerne = )He

2+

radioaktiver Stoff (Radiumchlorid)

Bleiblock mit Kanal

Der Streuversuch von Rutherford (1911)

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Rückstreuung (= Reflexion)

Rückstreuung (= Reflexion)

α-Teilchen belichten den Film

schwache Ablenkung

starke Ablenkung

starke Ablenkung

Anmerkung: Anstelle des fotografischen Films verwendete Rutherford auch ein mit dotiertem Zinksulfid versehenen Leuchtschirm, der vor dem Objektiv eines Mikroskops befestigt war. Trafen die α-Teilchen auf den Leuchtschirm, so konnten durch das Okular kleine Lichtblitze beobachtet werden. Das Mikroskop wurde im Kreis um die Goldfolie herum bewegt und die Anzahl der Lichtlitze pro Zeiteinheit für jeden Einfallwinkel der α-Teilchen gezählt. Auf diese Weise gelangte er zum gleichen Resultat.

Film

In Wirklichkeit wird von etwa 100.000 α-Teilchen nur eines stark abgelenkt oder reflektiert!

Filmauswertung

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Welche Folgerungen ergeben sich?

• Unter dieser Annahme konnte erwartet werden, dass die extrem kleinen, positiv geladenen α-Teilchen, sofern sie genügend kinetische Energie besaßen, durch die extrem dünne Goldfolie hindurch flögen. Lediglich durch den Zusammenprall mit den Goldatomen und aufgrund der Ladungen würden sie schwach abgelenkt (= gestreut).

• Dies war weitgehend auch der Fall. Aber es zeigte sich, dass die α-Teilchen auch auf einen sehr starken Widerstand stoßen konnten, so dass sie sogar reflektiert wurden.

• Annahme Thomsons: Atome bestehen aus einer überall gleichmäßig verteilten, positiv geladenen Masse. In diese Masse sind die negativ geladenen Elektronen lose eingebettet. Thomson wusste schon, dass die Hauptmasse des Atoms positiv geladen ist, während die Elektronen fast keine Masse besitzen.

• Da dies nur extrem selten zu beobachten war, musste sich die dafür verantwortliche Masse auf einen extrem keinen Raum konzentrieren.

• α-Teilchen, die dieser konzentrierten, positiv geladenen Masse sehr nahe kamen, wurden elektrostatisch abgestoßen und in ihrer Flugbahn stark abgelenkt.

• Die Massenverteilung im Atom war also nicht gleichmäßig. Das Atommodell von Thomson war nicht richtig!

• Da die negativ geladenen Elektronen fast keine Masse besitzen, musste die auf einen extrem kleinen Raum konzentrierte Masse positiv geladenen sein.

• Goldatome bestehen also aus einer riesigen, fast massenlosen, negativ geladenen Elektronenhülle und einem winzigen, positiv geladenen Kern mit großer Masse.

Rutherfordsches Atommodell (1911)

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Goldfolieca. 2000

Atomlagen

α-Teilchen

= He 2+

VerdeutlichungKanalöffnung

Rückstreuung (= Reflexion)

starke Ablenkung

schwache Ablenkung

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• sehr oft: schwache Ablenkung

• sehr selten: starke Ablenkung

• extrem selten: Rückstreuung

Verdeutlichung

Die fast masselosen Elektronen haben kaum einen Einfluss auf die viel schwereren α-Teilchen, die mit großer Geschwindigkeit durch die Goldfolie fliegen. Da die Elektronenhülle fast das gesamte Atom ausmacht, ist die schwache Ablenkung sehr oft zu beobachten.

Je näher aber ein positiv geladenes α-Teilchen (2+) dem viel stärker positiv geladenen Atomkern (79+) kommt, um so stärker wird es abgestoßen. Weil der Kern äußerst klein ist, passiert die starke Ablenkung sehr selten.

Wegen der winzigen Größe des Kerns kommt es extrem selten vor, dass ein α-Teilchen direkt auf den Kern zufliegt. Die Abstoßungskräfte sind dann maximal und es erfolgt eine Rückstreuung (= Reflexion).

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• Der Atomdurchmesser ist im Vergleich zum Kerndurchmesser riesig. Das gesamte Atom ist ca. 10.000-mal größer als der Kern.

Atomdurchmesser = ca. 10 m - 10

Resultierende Größen- und Massenverhältnisse

Eingang Riehl-Kolleg

10m

Vergrößerung des Atom- durchmessers auf 10m

Der Kerndurchmesser beträgt dann ca. 1mm!

Veranschaulichung

Der Kern enthält aber ca. 99,9% der Atommasse!

Die schwierige rechnerische Auswertung des Streuversuchs ergab:

• Mit den Massen verhält es sich umgekehrt. Fast die gesamte Masse des Atoms, nämlich ca. 99,9%, entfällt auf den Kern.

Kerndurchmesser = ca. 10 m - 14

Goldatom

negativ geladene Elektronenhülle

positiv geladener Kern

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• Erst Rutherford stellte 1919 fest, dass die Protonen die positive Ladung des Kerns bewirken. Es gilt: Kernladungszahl = Protonenanzahl!

Ergänzung• 1911 war noch nicht bekannt, dass die Protonen für die positive Kernladung verantwortlich sind.

• Jedes Proton trägt eine positive Elementarladung, während jedes Elektron eine negative Elementarladung trägt! Die beiden Arten von Elementarladungen sind die kleinsten existierenden Ladungen und vom Betrag her gleich groß!

• Moseley entdecke 1913/14, dass die Ordnungszahl von der Kernladungszahl bestimmt wird. Also: 0rdnungszahl = Kernladungszahl!

Ordnungszahl

Das Au-Atom ist elektrisch neutral!

= ProtonenanzahlAu79

Das Goldatom besitzt 79 positive und 79 negative Elementarladungen.

Elektronen-anzahl = 79

Kernladungs- zahl = 79

Elementsymbol

= Kernladungszahl

Goldatom

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Ende